Elettromagnete, dispositivo costituito da un nucleo di materiale magnetico circondato da una bobina attraverso la quale viene fatta passare una corrente elettrica per magnetizzare il nucleo. Un elettromagnete è usato ovunque siano richiesti magneti controllabili, come in congegni in cui il flusso magnetico deve essere variato, invertito, o acceso e spento.
La progettazione ingegneristica degli elettromagneti è sistematizzata per mezzo del concetto di circuito magnetico. Nel circuito magnetico una forza magnetomotrice F, o Fm, è definita come gli ampere-giri della bobina che genera il campo magnetico per produrre il flusso magnetico nel circuito. Così, se una bobina di n giri al metro porta una corrente i ampere, il campo all’interno della bobina è ni ampere al metro e la forza magnetomotrice che genera è nil ampere-giri, dove l è la lunghezza della bobina. Più convenientemente, la forza magnetomotrice è Ni, dove N è il numero totale di giri nella bobina. La densità di flusso magnetico B è l’equivalente, nel circuito magnetico, della densità di corrente in un circuito elettrico. Nel circuito magnetico l’equivalente magnetico alla corrente è il flusso totale simboleggiato dalla lettera greca phi, ϕ, dato da BA, dove A è la sezione trasversale del circuito magnetico. In un circuito elettrico la forza elettromotrice (E) è legata alla corrente, i, nel circuito da E = Ri, dove R è la resistenza del circuito. Nel circuito magnetico F = rϕ, dove r è la riluttanza del circuito magnetico ed è equivalente alla resistenza nel circuito elettrico. La riluttanza si ottiene dividendo la lunghezza del percorso magnetico l per la permeabilità per l’area della sezione trasversale A; quindi r = l/μA, la lettera greca mu, μ, che simboleggia la permeabilità del mezzo che forma il circuito magnetico. Le unità di riluttanza sono ampere-giri per weber. Questi concetti possono essere impiegati per calcolare la riluttanza di un circuito magnetico e quindi la corrente necessaria attraverso una bobina per forzare il flusso desiderato attraverso questo circuito.
Diversi presupposti coinvolti in questo tipo di calcolo, tuttavia, lo rendono al meglio solo una guida approssimativa per la progettazione. L’effetto di un mezzo permeabile su un campo magnetico può essere visualizzato come quello di affollare le linee di forza magnetiche in se stesso. Al contrario, le linee di forza che passano da una regione di alta a una di bassa permeabilità tendono a diffondersi, e questo evento avrà luogo in un traferro. Così la densità di flusso, che è proporzionale al numero di linee di forza per unità di superficie, sarà ridotta nel traferro dalle linee che si gonfiano, o si sfrangiano, ai lati del traferro. Questo effetto aumenterà per lacune più lunghe; correzioni approssimative possono essere fatte per tenere conto dell’effetto di frangia.
Si è anche assunto che il campo magnetico sia interamente confinato all’interno della bobina. In realtà, c’è sempre una certa quantità di flusso di dispersione, rappresentato da linee di forza magnetiche intorno all’esterno della bobina, che non contribuisce alla magnetizzazione del nucleo. Il flusso di perdita è generalmente piccolo se la permeabilità del nucleo magnetico è relativamente alta.
In pratica, la permeabilità di un materiale magnetico è una funzione della densità di flusso in esso. Così, il calcolo può essere fatto solo per un materiale reale se la curva di magnetizzazione reale, o, più utilmente, un grafico di μ contro B, è disponibile.
Infine, il progetto presuppone che il nucleo magnetico non sia magnetizzato a saturazione. Se lo fosse, la densità di flusso non potrebbe essere aumentata nel traferro in questo progetto, non importa quanta corrente sia passata attraverso la bobina. Questi concetti sono espansi ulteriormente nelle sezioni seguenti su dispositivi specifici.
